Kit eramangarria konpondu daiteke UV bidez senda daitekeen beira-zuntz/binil esterra edo karbono-zuntz/epoxi aurrepreg-arekin, giro-tenperaturan gordeta eta bateriaz elikatzen den sendatze-ekipoarekin. #barrukofabrikazioa #azpiegitura
UV bidez senda daitekeen prepreg adabaki konponketa Custom Technologies LLC-k barneko konpositezko zubirako garatutako karbono-zuntz/epoxi prepreg konponketa erraza eta azkarra izan bada ere, beira-zuntzez indartutako UV bidez senda daitekeen binilo ester erretxinazko Prepreg-aren erabilerak sistema erosoagoa garatu du. Irudiaren iturria: Custom Technologies LLC
Zubi modular zabalgarriak funtsezko aktiboak dira taktika militarreko eragiketetarako eta logistikarako, baita hondamendi naturaletan garraio azpiegiturak leheneratzeko ere. Egitura konposatuak aztertzen ari dira zubi horien pisua murrizteko, eta horrela garraio ibilgailuen eta jaurtiketa-berreskuratze mekanismoen zama murriztu. Metalezko zubiekin alderatuta, material konposatuek karga-ahalmena handitzeko eta zerbitzu-bizitza luzatzeko ahalmena ere badute.
Adibide bat Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) da. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, AEB) eta Materials Sciences LLC (Horsham, PA, AEB) enpresek karbono-zuntzez indartutako epoxi laminatuak erabiltzen dituzte (1. irudia). Diseinua eta eraikuntza). Hala ere, egitura horiek landa-eremuan konpontzeko gaitasuna material konposatuen adopzioa oztopatzen duen arazoa izan da.
1. irudia Konpositezko zubia, eremu barruko aktibo nagusia Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) Seemann Composites LLC eta Materials Sciences LLC enpresek diseinatu eta eraiki zuten, karbono-zuntzez indartutako epoxi erretxinazko konpositeak erabiliz. Irudiaren iturria: Seeman Composites LLC (ezkerrean) eta AEBetako Armada (eskuinean).
2016an, Custom Technologies LLC-k (Millersville, MD, AEB) AEBetako Armadak finantzatutako Enpresa Txikien Berrikuntza Ikerketa (SBIR) 1. Faseko beka bat jaso zuen soldaduek bertan arrakastaz egin dezaketen konponketa-metodo bat garatzeko. Ikuspegi honetan oinarrituta, SBIR bekaren bigarren fasea eman zen 2018an material berriak eta bateriaz elikatzen diren ekipamenduak erakusteko; konponketa aurreko prestakuntzarik gabeko hasiberri batek egiten badu ere, egituraren % 90 edo gehiago leheneratu daiteke indar gordinarekin. Teknologiaren bideragarritasuna zehazten da hainbat analisi, materialen hautaketa, laginen fabrikazioa eta proba mekanikoen zereginak eginez, baita eskala txikiko eta eskala osoko konponketak eginez ere.
SBIR bi faseetako ikertzaile nagusia Michael Bergen da, Custom Technologies LLC-ren sortzailea eta presidentea. Bergenek Carderock-etik erretiratu zen, Naval Surface Warfare Center-etik (NSWC), eta 27 urtez aritu zen Egitura eta Materialen Sailean, non konposite teknologien garapena eta aplikazioa kudeatu zituen AEBetako Itsas Armadaren flotan. Roger Crane doktorea 2015ean sartu zen Custom Technologies-en, 2011n AEBetako Itsas Armadatik erretiratu ondoren, eta 32 urte daramatza bertan lanean. Material konposatuen inguruko bere espezializazioan argitalpen teknikoak eta patenteak daude, besteak beste, material konposatu berriak, prototipoen fabrikazioa, konexio metodoak, material konposatu multifuntzionalak, egitura-osasunaren monitorizazioa eta material konposatuen zaharberritzea.
Bi adituek prozesu berezi bat garatu dute, material konposatuak erabiltzen dituena Ticonderoga CG-47 klaseko 5456 misil gidatuen gurutzontziaren aluminiozko gainegituraren pitzadurak konpontzeko. "Prozesua pitzaduren hazkundea murrizteko eta 2 eta 4 milioi dolar arteko plataforma-ohol bat ordezkatzeko alternatiba ekonomiko gisa balio izateko garatu zen", esan zuen Bergenek. "Beraz, frogatu dugu badakigula konponketak laborategitik kanpo eta benetako zerbitzu-ingurune batean egiten. Baina erronka da egungo aktibo militarren metodoak ez direla oso arrakastatsuak. Aukera lotura-duplex konponketa da [funtsean, kaltetutako eremuetan itsatsi taula bat goialdean] edo aktiboa zerbitzutik kentzea biltegi mailako (D mailako) konponketetarako. D mailako konponketak beharrezkoak direnez, aktibo asko alde batera uzten dira".
Jarraian esan zuen behar dena material konposatuetan esperientziarik ez duten soldaduek egin dezaketen metodo bat dela, kitak eta mantentze-eskuliburuak soilik erabiliz. Gure helburua prozesua erraztea da: eskuliburua irakurri, kalteak ebaluatu eta konponketak egin. Ez ditugu erretxina likidoak nahastu nahi, horrek neurketa zehatzak behar baititu sendatze osoa bermatzeko. Konponketak amaitu ondoren hondakin arriskutsurik gabeko sistema bat ere behar dugu. Eta sareak zabaldu dezakeen kit gisa ontziratu behar da.
Custom Technologies-ek arrakastaz frogatu duen irtenbide bat kit eramangarri bat da, epoxi itsasgarri gogortu bat erabiltzen duena itsasgarri konpositezko adabakia kaltearen tamainaren arabera pertsonalizatzeko (12 hazbete karratu arte). Erakustaldia 3 hazbeteko lodierako AMCB plataforma bat irudikatzen duen material konposatu batean egin zen. Material konposatuak 3 hazbeteko lodierako balsa egurrezko nukleoa du (15 libra oin kubikoko dentsitate bakoitzeko) eta bi Vectorply (Phoenix, Arizona, AEB) C-LT 1100 karbono zuntzezko 0°/90° biaxial jositako ehun geruza, C-TLX 1900 karbono zuntzezko 0°/+45°/-45° geruza geruza bat hiru ardatz eta bi C-LT 1100 geruza, guztira bost geruza. "Erabaki genuen kitak aurrefabrikatutako adabaki batzuk erabiliko zituela ardatz anitzeko laminatu kuasi-isotropiko batean, ehunaren norabidea arazorik ez izateko", esan zuen Cranek.
Hurrengo arazoa laminatuak konpontzeko erabiltzen den erretxina matrizea da. Erretxina likidoa ez nahasteko, adabakia prepreg-a erabiliko da. "Hala ere, erronka hauek biltegiratzearekin lotuta daude", azaldu du Bergenek. Gorde daitekeen adabaki-soluzio bat garatzeko, Custom Technologies-ek Sunrez Corp.-ekin (El Cajon, Kalifornia, AEB) lankidetzan aritu da sei minututan argi ultramorea (UV) erabil dezakeen beira-zuntz/binil ester prepreg bat garatzeko. Gougeon Brothers-ekin (Bay City, Michigan, AEB) ere lankidetzan aritu da, eta honek epoxi film malgu berri bat erabiltzea proposatu du.
Lehen ikerketek erakutsi dute epoxi erretxina dela karbono-zuntz aurrepreg-etarako erretxina egokiena: UV bidez senda daitekeen binil esterrak eta beira-zuntz zeharrargitsuak ondo funtzionatzen dute, baina ez dira sendatzen argia blokeatzen duen karbono-zuntzaren azpian. Gougeon Brothers-en film berrian oinarrituta, azken epoxi aurrepreg-a ordubetez sendatzen da 210 °F/99 °C-tan eta iraupen luzea du giro-tenperaturan; ez da beharrezkoa tenperatura baxuko biltegiratzea. Bergenek esan zuen beira-trantsizio tenperatura (Tg) handiagoa behar bada, erretxina ere tenperatura altuago batean sendatuko dela, hala nola 350 °F/177 °C-tan. Bi aurrepreg-ak konponketa-kit eramangarri batean ematen dira, plastikozko film-gutunazal batean zigilatutako aurrepreg adabaki-pila gisa.
Konponketa-kita denbora luzez gorde daitekeenez, Custom Technologiesek iraupen-azterketa bat egin behar du. «Lau plastikozko kutxa gogor erosi genituen —garraio-ekipoetan erabiltzen den mota militar tipikoa— eta epoxi itsasgarriaren eta binil ester prepreg-aren laginak sartu genituen kutxa bakoitzean», esan zuen Bergenek. Ondoren, kutxak lau leku ezberdinetan jarri ziren probak egiteko: Michiganeko Gougeon Brothers fabrikaren teilatuan, Marylandeko aireportuaren teilatuan, Yucca Valleyko (Kaliforniako basamortua) kanpoko instalazioan eta Florida hegoaldeko kanpoko korrosio-proben laborategian. Kutxa guztiek datu-erregistratzaileak dituzte, Bergenek adierazi duenez, «Datuak eta material laginak hartzen ditugu ebaluaziorako hiru hilabetetik behin. Floridan eta Kalifornian kutxetan erregistratutako tenperatura maximoa 140 °F-koa da, eta hori ona da zaharberritze-erretxina gehienentzat. Benetako erronka da». Horrez gain, Gougeon Brothersek barne-proba egin zuen garatu berri den epoxi erretxina purua. «Hilabete batzuetan 120 °F-tan labean sartu diren laginak polimerizatzen hasten dira», esan zuen Bergenek. "Hala ere, 43 °C-tan mantendutako laginetan, erretxina-kimika apur bat bakarrik hobetu zen."
Konponketa proba-oholean eta AMCBren eskalako modelo honetan egiaztatu zen, Seemann Compositesek eraikitako jatorrizko zubiaren laminatu eta nukleo material bera erabili baitzuen. Irudiaren iturria: Custom Technologies LLC
Konponketa teknika erakusteko, laminatu adierazgarri bat fabrikatu, kaltetu eta konpondu behar da. «Proiektuaren lehen fasean, hasieran 4 x 48 hazbeteko habe txikiak eta lau puntuko tolestura probak erabili genituen gure konponketa prozesuaren bideragarritasuna ebaluatzeko», esan zuen Kleinek. «Ondoren, proiektuaren bigarren fasean 12 x 48 hazbeteko paneletara igaro ginen, kargak aplikatu genituen hutsegitea eragiteko tentsio biaxial egoera bat sortzeko, eta ondoren konponketaren errendimendua ebaluatu genuen. Bigarren fasean, Maintenance-n eraiki genuen AMCB eredua ere osatu genuen».
Bergenek esan zuen konponketaren errendimendua frogatzeko erabilitako proba-panelak Seemann Compositesek fabrikatutako AMCB-ak bezalako laminatu eta nukleo-materialen lerro bera erabiliz fabrikatu zela, "baina panelaren lodiera 0,375 hazbetetik 0,175 hazbetera murriztu genuen, ardatz paraleloen teoreman oinarrituta. Hori da kasua. Metodoa, habe-teoriaren eta laminatu-teoria klasikoaren [CLT] elementu gehigarriekin batera, erabili zen eskala osoko AMCB-aren inertzia-momentua eta zurruntasun eraginkorra tamaina txikiagoko demo-produktu batekin lotzeko, erabiltzeko errazagoa eta kostu-eraginkorragoa dena. Ondoren, XCraft Inc.-ek (Boston, Massachusetts, AEB) garatutako elementu finituen analisi [FEA] eredua erabili zen egitura-konponketen diseinua hobetzeko". Proba-panelen eta AMCB eredurako erabilitako karbono-zuntz ehuna Vectorply-ri erosi zitzaion, eta balsa-nukleoa Core Compositesek (Bristol, RI, AEB) egin zuen.
1. urratsa. Proba-panel honek 3 hazbeteko diametroko zulo bat erakusten du erdian markatutako kaltea simulatzeko eta zirkunferentzia konpontzeko. Urrats guztien argazkiaren iturria: Custom Technologies LLC.
2. urratsa. Erabili bateriaz elikatzen den eskuzko artezgailu bat kaltetutako materiala kentzeko eta konponketa-adabakia 12:1 koniko batekin ixteko.
«Zubi-plataforman ikus daitekeen kalte-maila handiagoa simulatu nahi dugu proba-oholean, zubi-plataforman ikus daitekeena baino», azaldu zuen Bergenek. «Beraz, gure metodoa 3 hazbeteko diametroko zulo bat egitea da. Ondoren, kaltetutako materialaren tapoia atera eta eskuzko artezgailu pneumatiko bat erabiltzen dugu 12:1eko bufanda bat prozesatzeko».
Cranek azaldu zuen karbono-zuntz/epoxi konponketarako, "kaltetutako" panel-materiala kendu eta bufanda egoki bat aplikatu ondoren, prepreg-a zabalera eta luzerara moztuko dela kaltetutako eremuaren konikotasunera egokitzeko. "Gure proba-panelarentzat, lau prepreg geruza behar dira konponketa-materiala jatorrizko karbono-panel kaltetu gabekoaren goiko aldean koherentea mantentzeko. Ondoren, karbono/epoxi prepreg-aren hiru estaldura-geruzak konpondutako zati honetan kontzentratzen dira. Geruza bakoitza beheko geruzaren alde guztietan hazbete bat luzatzen da, eta horrek pixkanaka karga-transferentzia bat ahalbidetzen du inguruko "material onetik" konpondutako eremura". Konponketa hau egiteko denbora osoa (konponketa-eremuaren prestaketa, zaharberritze-materiala moztea eta jartzea eta sendatze-prozedura aplikatzea barne) 2,5 ordu ingurukoa da.
Karbono-zuntz/epoxi prepreg-arentzat, konponketa-eremua hutsean ontziratzen da eta 210 °F/99 °C-tan ordubetez sendatzen da bateriaz elikatzen den itsasgarri termiko bat erabiliz.
Karbono/epoxi konponketa erraza eta azkarra den arren, taldeak errendimendua berreskuratzeko irtenbide erosoago baten beharra ikusi zuen. Horrek ultramore bidezko sendatze aurrepreg-ak aztertzera eraman zuen. "Sunrez binilo ester erretxinekiko interesa Mark Livesay enpresaren sortzailearekin izandako aurreko itsas esperientzian oinarritzen da", azaldu zuen Bergenek. "Lehenik eta behin, Sunrez-i beirazko ehun kuasi-isotropiko bat eman genion, haien binilo ester aurrepreg-a erabiliz, eta sendatze kurba ebaluatu genuen baldintza desberdinetan. Gainera, badakigulako binilo ester erretxina ez dela epoxi erretxina bezalakoa, bigarren mailako atxikimendu errendimendu egokia eskaintzen duena, beraz, ahalegin gehigarriak behar dira itsasgarri geruza akoplatzeko agente desberdinak ebaluatzeko eta zein den aplikaziorako egokia zehazteko".
Beste arazo bat da beira-zuntzek ezin dituztela karbono-zuntzek bezalako propietate mekanikoak eman. «Karbono/epoxi adabakiekin alderatuta, arazo hau beira/binil ester geruza gehigarri bat erabiliz konpontzen da», esan zuen Cranek. «Geruza gehigarri bakarra behar izatearen arrazoia beira-materiala ehun astunagoa dela da». Horrela, sei minututan aplikatu eta konbinatu daitekeen adabaki egoki bat sortzen da, baita tenperatura oso hotz/izoztuetan ere. Berorik eman gabe sendatzen da. Cranek adierazi zuen konponketa-lan hau ordubetean egin daitekeela.
Bi adabaki sistemak frogatu eta probatu dira. Konponketa bakoitzerako, kaltetu beharreko eremua markatzen da (1. urratsa), zulo-zerra batekin sortzen da eta, ondoren, bateriaz elikatzen den eskuzko artezgailu bat erabiliz kentzen da (2. urratsa). Ondoren, moztu konpondutako eremua 12:1 koniko batean. Garbitu bufandaren gainazala alkohol-zapi batekin (3. urratsa). Ondoren, moztu konponketa-adabakia tamaina jakin batera, jarri garbitutako gainazalean (4. urratsa) eta sendotu arrabola batekin aire-burbuilak kentzeko. Beira-zuntz/UV bidez sendatzen den binil ester prepreg-erako, jarri askatzeko geruza konpondutako eremuan eta sendatu adabakia haririk gabeko UV lanpara batekin sei minutuz (5. urratsa). Karbono-zuntz/epoxi prepreg-erako, erabili aurrez programatutako botoi bakarreko bateriaz elikatzen den itsasgarri termiko bat hutsean ontziratzeko eta konpondutako eremua 210 °F/99 °C-tan ordubetez sendatzeko.
5. urratsa. Konpondutako eremuan geruza zuritua jarri ondoren, erabili haririk gabeko UV lanpara bat adabakia 6 minutuz sendatzeko.
«Ondoren, probak egin genituen adabakiaren itsasgarritasuna eta egituraren karga-ahalmena berreskuratzeko duen gaitasuna ebaluatzeko», esan zuen Bergenek. «Lehenengo fasean, aplikazioaren erraztasuna eta gutxienez indarraren % 75 berreskuratzeko gaitasuna frogatu behar dugu. Horretarako, 4 x 48 hazbeteko karbono-zuntz/epoxi erretxina eta balsa nukleoko habe bat lau puntutan tolestu behar da, simulatutako kaltea konpondu ondoren. Bai. Proiektuaren bigarren fasean 12 x 48 hazbeteko panel bat erabili zen, eta % 90 baino gehiagoko erresistentzia-eskakizunak erakutsi behar ditu tentsio-karga konplexuen pean. Baldintza horiek guztiak bete genituen, eta gero konponketa-metodoak argazkiak atera genituen AMCB ereduan. Nola erabili eremu barruko teknologia eta ekipamendua erreferentzia bisual bat emateko».
Proiektuaren alderdi gako bat da hasiberriek konponketa erraz egin dezaketela frogatzea. Horregatik, Bergenek ideia bat izan zuen: «Armadako bi kontaktu teknikoei erakutsiko diedala hitzeman diet: Bernard Sia doktoreari eta Ashley Gennari. Proiektuaren lehen fasearen azken berrikuspenean, ez nuen konponketarik eskatu. Ashley esperientziadunak egin zuen konponketa. Emandako kita eta eskuliburua erabiliz, adabakia aplikatu eta konponketa arazorik gabe burutu zuen».
2. irudia Aurrez programatutako bateriaz elikatzen den sendatze-makinak karbono-zuntz/epoxi konponketa-adabakia senda dezake botoi bat sakatuta, konponketa-ezagutzarik edo sendatze-zikloaren programaziorik behar izan gabe. Irudiaren iturria: Custom Technologies, LLC
Beste garapen gako bat bateriaz elikatzen den sendatze sistema da (2. irudia). «Eremu barruko mantentze-lanetan, bateriaren energia besterik ez duzu», adierazi zuen Bergenek. «Garatutako konponketa-kitan dauden prozesu-ekipo guztiak haririk gabekoak dira». Honen barruan, Custom Technologies-ek eta WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, AEB) lotura termikoko makinen hornitzaileak elkarrekin garatutako bateriaz elikatzen den lotura termikoa dago. «Bateriaz elikatzen den lotura termiko hau sendatzea osatzeko programatuta dago, beraz, hasiberriek ez dute sendatze-zikloa programatu beharrik», esan zuen Cranek. «Botoi bat sakatu besterik ez dute egin behar arrapala eta bustitze egokia osatzeko». Gaur egun erabiltzen diren bateriek urtebete iraun dezakete kargatu behar izan aurretik.
Proiektuaren bigarren fasea amaituta, Custom Technologies-ek hobekuntza-proposamenak prestatzen ari da eta interes eta laguntza gutunak biltzen. «Gure helburua teknologia hau TRL 8ra heltzea eta eremura eramatea da», esan zuen Bergenek. «Aplikazio ez-militarretarako potentziala ere ikusten dugu».
Industriako lehen zuntz-indargarriaren atzean dagoen arte zaharra azaltzen du, eta zuntz-zientzia berria eta etorkizuneko garapena sakonki ulertzen ditu.
Laster etorriko da eta lehen aldiz hegan egingo du, 787ak material eta prozesu konposatuetan egindako berrikuntzetan oinarritzen da bere helburuak lortzeko.
Argitaratze data: 2021eko irailaren 2a